无线技术在流程控制中的应用

1、无线技术在流程控制中的应用运行运行设备管理设备管理工厂网络工厂网络控制网络控制网络工厂网络工厂网络现场网络现场网络无线标准无线标准:802.11802.16802.11802.16802.15.4Wireless HART*现场设备现场设备控制网络控制网络设备跟踪设备跟踪流动工作人员流动工作人员自组织网络自组织网络ISA100 标准还在研发中标准还在研发中3/19/2022l针对无线现场网络l总结我们的科研工作l讨论无线应用的挑战3/19/2022l无线流程控制的历史l无线流程控制的现状l无线流程控制的标准化l实时流程控制l实时无线流程控制l结语 3/19/2022l无线流程控制的历史l无线流

2、程控制的现状l无线流程控制的标准化l实时流程控制l实时无线流程控制l结语 3/19/2022l70年代: 分布式计算机系统 -分布式流程控制系统 l90年代: 个人电脑 - 基于工作站的流程控制系统l90年代: 微软的COM技术 - OPCl90年代: 英特网 - 现场网络化l21世纪: 无线技术 - ?3/19/2022lWINAlZigBeelBluetooth (蓝牙)lISA100lWirelessHART (无线HART)3/19/2022l无线流程控制的历史l无线流程控制的现状l无线流程控制的标准化l实时流程控制l实时无线流程控制l结语 3/19/2022l关于有线与无线的争议已经

3、结束l无线的两大作用: 替代有线 全新应用l技术上已经成熟l市场上已经有很多成功实例3/19/2022l安全和加密l电池寿命l可靠性和鲁棒性l自组织网络l关键是市场, 而不是技术!3/19/2022“自从八月安装好后这些无线设备没有丢失一个数据 . ” Chris Geen, BP Managerl应用项目: 钻井头圆环压力监测l欧洲最大的陆地油井之一l采用艾默生的智能无线技术方案, 包括40个压力传感器l在密集的钻管工作和过程堆积中实现了快速安装 2天内安装完所有设备 30分钟内所有设备成功在线3/19/2022l应用项目: 可移动平台的数据采样l避免对随平台移动的设备的持续重新组态 泵,

4、过滤, 压磨, CIP/SIP 套等l8小时内完成所有设备的安装和启动l初用艾默生的智能无线方案达到了100% 的可靠度的可靠度, 系统安装在拥有系统安装在拥有12英吋加英吋加固水泥的五层建筑固水泥的五层建筑 系统从未丢失移动平台的数据 从另外一个储藏建筑搬来的平台自动加入了网络, 不需要操作员介入.3/19/2022l应用项目: 碳化单元泵过滤器堵塞检查 对防止由吸力减弱造成的泵损坏非常重要l现有的液压传动仪器需要人工读表来检查吸力减弱,这很不准确, 维护也复杂. l艾默生的智能无线技术提供了便宜的方案, 提高了测量准确度和维护效率 传统工艺难以实现, 因为通信和电源布线太贵l增加了碳化操作

5、的可运行率“预防性的无线过滤堵塞警报避免了一次生产中断. 操作员能够在几小时内关掉泵, 清理过滤器, 然后重新启动泵. 如果没有警报,过滤器泵会被损坏而被完全替换掉.” Project Manager, Major Refining Company3/19/2022l无线流程控制的历史l无线流程控制的现状l无线流程控制的标准化l实时流程控制l实时无线流程控制l结语 3/19/2022l用户在观望 担心被锁定在独家非标准系统上l市场规模是根本 单价必须降下来3/19/2022l缺少足够的实时支持l不是针对流程控制制定的lZigBee Pro 面向工业控制的改进版3/19/2022lWireles

6、sHART 2007年9月正式公布 与以往的HART协议兼容 被现有HART工具完全支持 由自动化工业的领袖成员开发, 包括ABB, E+H, Emerson, Honeywell, Siemens 和其它成员 艾默生已开始接受首批Wireless HART的订单lISA100 一系列的标准 第一个完全的初稿预计于2008年底出来, 2009年中有产品出来3/19/2022lHART的历史 (Highway Addressable Remote Transducer)3/19/2022lMesh 网络拓卜结构方便,自组织Mesh网络结构所有节点都是路由允许对应用和环境的调整不需要特别的设计或安

7、装可覆盖大的地理范围l可靠网关和设备节点存在冗余路径设备节点采用不同的数据路径来保证冗余路径的持续性l动态频宽安排 设备节点申请固定的流程和控制频宽可申请额外的频宽(如传送震动频幅)当维护设备节点时调高或调低频宽l自组织,自修复所有节点提供统计数据给网络管理程序信号强度与邻居节点的通信可靠度发现新邻居节点网络管理程序挑选链接和路由 调整链接和路由以增强可靠度增加链接以增强抵抗力平面化网络以增强速度, 节省能耗设备节点越多越可靠3/19/2022l自组织技术几乎无限的数据传输路径 网络不断地自我平衡和优化超出现场射频调研的局限无线无线现场网络现场网络无线无线工厂网络工厂网络3/19/2022l无

8、线流程控制的历史l无线流程控制的现状l无线流程控制的标准化l实时流程控制l实时无线流程控制l结语 3/19/2022l带时间要求的计算机系统l不一定非常快, 但要有确定性 快速是好的 但快速不能解决所有问题 保证性(满足截止期要求)更重要l例子: 航空 流程控制 嵌入式系统 3/19/2022l在灾难发生前挑战者号航天飞机上的计算机系统来不及检测到其结构上动态压力的异常.l洛衫矶时报新闻: “两个独立的人为错误在2004年9月下午大约4:30造成无线通讯的瘫痪. 它持续了3小时, 造成南加州几个主要机场几乎完全停顿. 在通讯瘫痪的头15分钟内起码有五次飞机几乎相撞.”3/19/2022l截止期

9、最早优先调度算法 针对周期性进程的最优算法l频率单调优先级附值 最优进程固定优先级算法3/19/2022l一个瀑布式控制模块l对应在现场总线上的实时调度3/19/2022l无线流程控制的历史l无线流程控制的现状l无线流程控制的标准化l实时流程控制l实时无线流程控制l结语 3/19/2022lWirelessHART 和 ISA 100.11a在无线流程控制领域只是刚刚开始.l早期应用包括设备监测和诊断.l但在无线网络上实现真正意义上的流程控制还存在很大的挑战.l以下13页是我们的早期科研成果 改进 PID 算法以应付不稳定通讯3/19/2022l为减少控制变化, 一个基本原则是反馈算法的执行必

10、须是4到10倍快于过程回应时间加过程时间常量加迟滞时间.l由于数据采样与控制算法执行不同步, 采样频率比控制算法快很多. l如果数据采样与控制算法能够同步, 我们可以减少数据的过度采样和传送.l更进一步, 我们可以通过只传送变化的数据来节省能源. 3/19/20223/19/2022l丢失输入数据 积分成份线性增长 当通讯恢复时差分成份产生尖刺l丢失输出数据 驱动器得到突变lyrespective gains, derivative and integral al,proportion theare, )()()()( DIpDIP, K KKwheredttdeKtdteKteKOutput

11、3/19/20223/19/20223/19/20223/19/20223/19/2022l丢失输入数据 改变设定值 流程扰动l丢失输出数据 改变设定值 流程扰动3/19/20223/19/20223/19/2022Communication LossModified PID OUTPV & SPSPTraditional PID 3/19/2022Communication LossTraditional PID Modified PID OUTPV & SPSP3/19/2022丢失输入通讯数据 在改变设定值时丢失输入通讯数据 在流程扰动时丢失输出通讯数据 在改变设定值时丢失输出通讯数据 在流程扰动时P